JP7462460B2 - Concentration Equipment - Google Patents
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Description
本発明は、フィード溶液中の水が移行されてフィード溶液が濃縮される濃縮装置に関する。 The present invention relates to a concentrating device in which water in a feed solution is transferred to concentrate the feed solution.
海水などから純水を取り出す方法として、正浸透膜を用いた処理方法が知られている（特許文献１参照）。海水などのフィード溶液に対し、該フィード溶液よりも高い浸透圧を有するドロー溶液を用意する。用意したこれらの溶液を正浸透膜を介して接触させることにより、正浸透現象を利用して浸透圧の低い側から浸透圧の高い側へ、すなわち、フィード溶液からドロー溶液へ水（水分子）を移行する方法である。そして、水が移行されたドロー溶液に適宜処理を施し、水を回収する。 A processing method using a forward osmosis membrane is known as a method for extracting pure water from seawater, etc. (see Patent Document 1). A draw solution with a higher osmotic pressure than a feed solution such as seawater is prepared. By contacting these prepared solutions via a forward osmosis membrane, water (water molecules) is transferred from the side with lower osmotic pressure to the side with higher osmotic pressure, i.e., from the feed solution to the draw solution, utilizing the forward osmosis phenomenon. The draw solution to which the water has been transferred is then appropriately treated to recover the water.
正浸透現象を利用した技術は、上記のようにフィード溶液から水を取り出すことができるが、これは言い換えればフィード溶液を濃縮することになる。
ここで、ジュースなどの飲料を濃縮する従来の方法として、減圧によってその水分を蒸発させて濃縮する方法（減圧蒸留法）が挙げられる。しかし、この減圧蒸留法では風味（フレーバー）成分も蒸発してしまい、濃縮後に風味が落ちてしまう。
そこで、風味を落とさずに濃縮する方法として、フィード溶液として濃縮対象の飲料を用意し、正浸透現象を利用して水を抜いて濃縮化する方法が挙げられる。
The technique utilizing the forward osmosis phenomenon can remove water from the feed solution as described above, which in other words concentrates the feed solution.
A conventional method for concentrating beverages such as juice is to evaporate the water by reducing pressure (vacuum distillation). However, this method also evaporates flavor components, resulting in a loss of flavor after concentration.
Thus, one method for concentrating the beverage without losing flavor is to prepare the beverage to be concentrated as a feed solution, and then use forward osmosis to remove the water and concentrate the beverage.
上記のような正浸透膜を用いた処理は、例えば、フィード溶液を収容するフィード槽、ドロー溶液を収容するドロー槽、正浸透膜を有する正浸透モジュールを備えた装置を用いて行われる。フィード槽と正浸透モジュールとの間でフィード溶液を循環させ、また、ドロー槽と正浸透モジュールとの間でドロー溶液を循環させつつ、正浸透モジュール内の正浸透膜を介してフィード溶液からドロー溶液へ水を移行させる。 The above-mentioned treatment using a forward osmosis membrane is carried out, for example, using an apparatus equipped with a feed tank that contains a feed solution, a draw tank that contains a draw solution, and a forward osmosis module that has a forward osmosis membrane. While circulating the feed solution between the feed tank and the forward osmosis module and circulating the draw solution between the draw tank and the forward osmosis module, water is transferred from the feed solution to the draw solution via the forward osmosis membrane in the forward osmosis module.
この濃縮処理により、フィード溶液から移行してくる水によってドロー溶液が薄まっていく。濃縮処理を続けるには、前述したようにドロー溶液の方がフィード溶液よりも浸透圧が高くなければならないので、薄まったドロー溶液に濃いドロー溶液をつぎ足すなどして、上記の浸透圧の高低関係を維持する必要がある。 This concentration process dilutes the draw solution with water transferred from the feed solution. To continue the concentration process, the draw solution must have a higher osmotic pressure than the feed solution, as mentioned above, so the above osmotic pressure relationship must be maintained by adding concentrated draw solution to the diluted draw solution.
しかしながら、上記のドロー溶液のつぎ足しはコスト高へとつながってしまう。
正浸透膜モジュールを介しての濃縮において、上記のようにフィード溶液からドロー溶液へ水が移行するが、その一方で、ドロー溶液からフィード溶液へドロー溶液中の溶質がわずかながら移行する。使用する正浸透膜にもよるが、例えば、フィード溶液中の１Ｌの水が移行するのに対し、逆にドロー溶液中の０．１５ｇ程度の溶質がフィード溶液へと移行して拡散する。フィード溶液の種類（例えば飲料など）によっては、その拡散により問題が生じることがあり（味など）、ドロー溶液の種類を厳選（つまり、溶質がフィード溶液中に拡散しても問題のないドロー溶液を選択）する必要が出てくる。このとき、特には、ドロー溶液が比較的高価なものである場合、上記のドロー溶液のつぎ足しはコスト面に大きな影響を与えてしまう。
However, the above-mentioned replenishing of the draw solution leads to high costs.
In the concentration through the forward osmosis membrane module, water is transferred from the feed solution to the draw solution as described above, while a small amount of solutes in the draw solution is transferred from the draw solution to the feed solution. Although it depends on the forward osmosis membrane used, for example, while 1 L of water is transferred from the feed solution, about 0.15 g of solutes in the draw solution are transferred and diffused into the feed solution. Depending on the type of feed solution (e.g., beverage, etc.), the diffusion may cause problems (such as taste), so it becomes necessary to carefully select the type of draw solution (i.e., select a draw solution that does not cause problems even if the solutes diffuse into the feed solution). In this case, especially when the draw solution is relatively expensive, the above-mentioned topping up of the draw solution has a significant impact on the cost.
また、別の手段として、逆浸透膜（ＲＯ膜）を配置した装置を用いるなどして薄まったドロー溶液を濃い状態に戻すことが挙げられるが、高圧での処理（例えば１０ＭＰａ程度）となり、太い配管等が必要となり、装置の規模と生産量との兼ね合いによってはコスト面で不利となる。 Another method is to return the diluted draw solution to a concentrated state by using equipment equipped with a reverse osmosis membrane (RO membrane), but this requires high-pressure processing (e.g., about 10 MPa) and thick piping, which can be cost-inefficient depending on the balance between the size of the equipment and the production volume.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、コスト面で有利な濃縮装置を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of these problems, and aims to provide a concentrating device that is cost-effective.
上記目的を達成するために、本発明は、フィード溶液中の水が移行されて前記フィード溶液が濃縮される濃縮装置であって、
前記フィード溶液から該フィード溶液よりも高い浸透圧を有する中間ドロー溶液へ、かつ、該中間ドロー溶液から該中間ドロー溶液よりも高い浸透圧を有する最終ドロー溶液へ、前記フィード溶液中の水が順次移行されて前記フィード溶液が濃縮されるものであり、
前記フィード溶液が送液されるフィードラインと、前記中間ドロー溶液が送液される中間ドローラインと、前記中間ドロー溶液を収容する中間ドロー槽と、前記最終ドロー溶液が送液される最終ドローラインと、第１正浸透膜を有する第１正浸透モジュールと、第２正浸透膜を有する第２正浸透モジュールを有しており、
前記中間ドローラインは、前記中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるとともに、前記中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
前記第１正浸透モジュールは、前記フィードラインからの前記フィード溶液が通過するフィード側部屋と、前記中間ドローラインからの前記中間ドロー溶液が通過する中間ドロー側第１部屋をさらに有し、前記第１正浸透膜は前記フィード側部屋と前記中間ドロー側第１部屋の仕切りであり、該第１正浸透膜を介して、前記フィード側部屋中の前記フィード溶液から前記中間ドロー側第１部屋中の前記中間ドロー溶液へ前記フィード溶液中の水が移行されて前記フィード溶液が濃縮されるものであり、
前記第２正浸透モジュールは、前記中間ドローラインからの前記中間ドロー溶液が通過する中間ドロー側第２部屋と、前記最終ドローラインからの前記最終ドロー溶液が通過する最終ドロー側部屋をさらに有し、前記第２正浸透膜は前記中間ドロー側第２部屋と前記最終ドロー側部屋の仕切りであり、該第２正浸透膜を介して、前記中間ドロー側第２部屋中の前記中間ドロー溶液から前記最終ドロー側部屋中の前記最終ドロー溶液へ前記中間ドロー溶液中の水が移行されるものであることを特徴とする濃縮装置を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a concentrating apparatus in which water in a feed solution is transferred to concentrate the feed solution, the apparatus comprising:
water in the feed solution is sequentially transferred from the feed solution to an intermediate draw solution having a higher osmotic pressure than the feed solution, and from the intermediate draw solution to a final draw solution having a higher osmotic pressure than the intermediate draw solution, thereby concentrating the feed solution;
the feed line through which the feed solution is delivered, an intermediate draw line through which the intermediate draw solution is delivered, an intermediate draw tank for accommodating the intermediate draw solution, a final draw line through which the final draw solution is delivered, a first forward osmosis module having a first forward osmosis membrane, and a second forward osmosis module having a second forward osmosis membrane,
the intermediate draw line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the first forward osmosis module, and circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the second forward osmosis module;
the first forward osmosis module further includes a feed side chamber through which the feed solution from the feed line passes and an intermediate draw side first chamber through which the intermediate draw solution from the intermediate draw line passes, the first forward osmosis membrane is a partition between the feed side chamber and the intermediate draw side first chamber, and water in the feed solution is transferred from the feed solution in the feed side chamber to the intermediate draw solution in the intermediate draw side first chamber through the first forward osmosis membrane to concentrate the feed solution;
the second forward osmosis module further has an intermediate draw side second chamber through which the intermediate draw solution from the intermediate draw line passes, and a final draw side chamber through which the final draw solution from the final draw line passes, the second forward osmosis membrane serves as a partition between the intermediate draw side second chamber and the final draw side chamber, and water in the intermediate draw solution is transferred from the intermediate draw solution in the intermediate draw side second chamber to the final draw solution in the final draw side chamber through the second forward osmosis membrane.
このような濃縮装置であれば、まず、フィード溶液においては、その中の水を移行して濃縮することができる。この際、例えば飲料のフレーバー成分なども残して濃縮することができ、減圧蒸留法などよりも品質良く濃縮可能である。また濃縮後は重量が軽くなり、運送費を安くすることができる。
次に中間ドロー溶液においては、フィード溶液から一旦水が移行されてくるものの、その水は最終ドロー溶液へと移行するため、水により薄まるのを防ぐことができる。これにより、中間ドロー溶液に対して、濃い状態に戻すための従来の処理（つぎ足しや、ＲＯ膜による処理）をなくす、あるいは頻度を減らすことができ、コストや手間の低減へとつながる。中間ドロー溶液として比較的高価なものを用いた場合に特に有効である。
また、最終ドロー溶液について、第１、第２正浸透膜を介して、その溶質がフィード溶液へと移行して拡散し得るが、その量は極わずかであるためフィード溶液の品質への影響を極めて小さくすることができる。したがって最終ドロー溶液の種類の選択幅が広がり、例えば用意しやすい低価格のものを選択することも可能になる。
これらの点から、本発明の濃縮装置は、従来法と同等以上の濃縮ができるとともに、手間もかからずコスト面で極めて有効である。
With such a concentrating device, first, the feed solution can be concentrated by transferring the water therein. In this case, for example, flavor components of beverages can be left behind during the concentration, and the quality of the concentration can be improved compared to vacuum distillation. In addition, the weight of the product after concentration is lighter, which can reduce transportation costs.
Next, in the intermediate draw solution, water is transferred from the feed solution once, but the water is transferred to the final draw solution, so that it can be prevented from being diluted by water. This makes it possible to eliminate or reduce the frequency of conventional treatments (topping up or treatment with an RO membrane) for returning the intermediate draw solution to a concentrated state, leading to reduced costs and labor. This is particularly effective when a relatively expensive intermediate draw solution is used.
In addition, although the solutes in the final draw solution may migrate and diffuse into the feed solution through the first and second forward osmosis membranes, the amount of diffusion is so small that the effect on the quality of the feed solution can be minimized. This allows for a wider range of final draw solution choices, including, for example, a low-cost solution that is easy to prepare.
From these points of view, the concentrating apparatus of the present invention is capable of concentrating the solution to an extent equal to or greater than that of the conventional method, and is extremely cost-effective as it requires less labor.
また、前記第１正浸透モジュールおよび前記第２正浸透モジュールは、各々、外箱と該外箱内を通る中空糸を有しており、
前記第１正浸透膜および前記第２正浸透膜は前記中空糸であり、
前記フィード側部屋および前記中間ドロー側第２部屋は前記中空糸内の空間であり、
前記中間ドロー側第１部屋および前記最終ドロー側部屋は前記外箱内かつ前記中空糸外の空間とすることができる。
Further, the first forward osmosis module and the second forward osmosis module each have an outer box and a hollow fiber passing through the outer box,
the first forward osmosis membrane and the second forward osmosis membrane are the hollow fibers,
the feed side chamber and the intermediate draw side second chamber are spaces within the hollow fiber;
The intermediate draw side first chamber and the final draw side chamber can be spaces within the outer box and outside the hollow fibers.
このような中空糸を有するものであれば、効率良くフィード溶液の濃縮化を行うことができる。 With such hollow fibers, the feed solution can be concentrated efficiently.
また、前記フィード溶液を収容するフィード槽と、前記最終ドロー溶液を収容する最終ドロー槽をさらに有し、
前記フィードラインは、前記フィード槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記フィード溶液を循環させるものであり、
前記最終ドローラインは、前記最終ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記最終ドロー溶液を循環させるものとすることができる。
The apparatus further includes a feed tank for accommodating the feed solution and a final draw tank for accommodating the final draw solution,
the feed line circulates the feed solution between the feed tank and the first forward osmosis module;
The final draw line may circulate the final draw solution between the final draw tank and the second forward osmosis module.
このようなものであれば、第１正浸透モジュールに一度通過させるだけ（１パス）では濃縮化が不十分なフィード溶液の場合でも、循環により繰り返して中間ドロー溶液（さらには最終ドロー溶液）への水の移行を行うことができるので、十分に濃縮化を行うことができる。
また、最終ドロー溶液を循環可能なため、１パスの場合に比べて用意する最終ドロー溶液の液量を減らすことができ、コストを削減することができる。
With such a module, even if the feed solution is not sufficiently concentrated by passing it through the first forward osmosis module once (one pass), the water can be repeatedly transferred to the intermediate draw solution (and further to the final draw solution) by circulation, so that the feed solution can be sufficiently concentrated.
In addition, since the final draw solution can be circulated, the amount of the final draw solution to be prepared can be reduced compared to the case of one pass, leading to cost reduction.
また、前記フィード溶液は、食品、薬液、医薬品、香料、染料、飲料、サプリメント、毒物、メッキ液および排水のうちのいずれかのものとすることができる。 The feed solution may be any of the following: food, medicinal liquid, pharmaceutical, flavoring, dye, beverage, supplement, poison, plating solution, and wastewater.
本発明は特にこれらの濃縮化に適した装置である。 The present invention is a device particularly suited for these concentrating processes.
また、前記中間ドロー溶液は、塩化ナトリウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液、液糖、エチレンオキシドプロピレンオキシド、エチレングリコール、プロピレングリコール、クエン酸溶液、アスコルビン酸溶液、グルタミン酸溶液、ポリスチレンスルホン酸溶液のうちのいずれかのものとすることができる。 The intermediate draw solution may be any of the following: sodium chloride solution, calcium chloride solution, magnesium chloride solution, liquid sugar, ethylene oxide propylene oxide, ethylene glycol, propylene glycol, citric acid solution, ascorbic acid solution, glutamic acid solution, and polystyrene sulfonic acid solution.
また、前記最終ドロー溶液は、塩化ナトリウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液、液糖、エチレンオキシドプロピレンオキシド、エチレングリコール、プロピレングリコール、クエン酸溶液、アスコルビン酸溶液、グルタミン酸溶液、ポリスチレンスルホン酸溶液のうちのいずれかのものとすることができる。 The final draw solution may be any of the following: sodium chloride solution, calcium chloride solution, magnesium chloride solution, liquid sugar, ethylene oxide propylene oxide, ethylene glycol, propylene glycol, citric acid solution, ascorbic acid solution, glutamic acid solution, and polystyrene sulfonic acid solution.
これらは、フィード溶液の濃縮化に用いる中間ドロー溶液や最終ドロー溶液として特に適している。 They are particularly suitable as intermediate and final draw solutions for concentrating feed solutions.
また、前記中間ドローラインは２つのラインを有しており、
一方のラインが、前記中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
他方のラインが、前記中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものとすることができる。
または、前記中間ドローラインは１つのラインを有しており、
該１つのラインが、前記中間ドロー槽と、前記第１正浸透モジュールと、前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものとすることができる。
Also, the intermediate draw line has two lines,
one line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the first forward osmosis module;
Another line may circulate the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the second forward osmosis module.
Alternatively, the intermediate draw line has one line,
The one line can circulate the intermediate draw solution between the intermediate draw tank, the first forward osmosis module, and the second forward osmosis module.
後者のように中間ドローラインとして１つのラインを有するタイプとすれば、装置としてより単純化した構成とすることができる。
また、前者のように中間ドローラインとして２つのラインを有するタイプとすれば、各ラインにおける中間ドロー溶液の循環をよりスムーズに行うことができる。
If the latter type has one line as the intermediate draw line, the device can have a simpler configuration.
In addition, if the intermediate draw line is of a type having two lines as in the former case, the circulation of the intermediate draw solution in each line can be performed more smoothly.
あるいは、前記中間ドロー溶液、前記中間ドローライン、および前記中間ドロー槽の組み合わせが、複数段、順次連結されたものであり、
前記中間ドロー溶液は、前記連結された複数段において、前段よりも後段の方が高い浸透圧を有するものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での隣接する段同士における中間ドローラインが、前記第１正浸透膜および前記第２正浸透膜とは異なる第３正浸透膜を有する第３正浸透モジュールを介して連結されており、前記前段における前記中間ドロー溶液から前記後段における前記中間ドロー溶液へ水が移行されるものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での最初の段における中間ドローラインが、前記最初の段における中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での最後の段における中間ドローラインが、前記最後の段における中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものとすることができる。
Alternatively, the combination of the intermediate draw solution, the intermediate draw line, and the intermediate draw tank is connected in series in a plurality of stages,
The intermediate draw solution has a higher osmotic pressure in a later stage than in a previous stage in the multiple connected stages,
Among the intermediate draw lines, intermediate draw lines in adjacent stages in the connected stages are connected via a third forward osmosis module having a third forward osmosis membrane different from the first forward osmosis membrane and the second forward osmosis membrane, and water is transferred from the intermediate draw solution in the previous stage to the intermediate draw solution in the subsequent stage;
Among the intermediate draw lines, an intermediate draw line in a first stage of the plurality of connected stages circulates the intermediate draw solution between an intermediate draw tank in the first stage and the first forward osmosis module;
Among the intermediate draw lines, an intermediate draw line in a last stage of the connected stages may circulate the intermediate draw solution between an intermediate draw tank in the last stage and the second forward osmosis module.
中間ドロー溶液等がこのような複数段からなるものであれば、最終ドロー溶液中の溶質がフィード溶液へ移行する量をより一層少なくすることができ、フィード溶液への品質の影響をさらに小さくすることができる。 If the intermediate draw solution, etc., consists of multiple stages like this, the amount of solute in the final draw solution that transfers to the feed solution can be further reduced, further reducing the impact on the quality of the feed solution.
本発明の濃縮装置であれば、従来よりもコストを低減しつつ、従来法と同等以上の品質でフィード溶液の濃縮化を行うことができる。 The concentrating device of the present invention can concentrate the feed solution at a quality equal to or better than that of conventional methods while reducing costs.
以下、本発明について図面を参照して実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明の濃縮装置の概略の一例を示す。
本発明の濃縮装置１は、濃縮対象のフィード溶液の他、中間ドロー溶液に加えて最終ドロー溶液を有しており、フィード溶液から該フィード溶液よりも高い浸透圧を有する中間ドロー溶液へ、かつ、中間ドロー溶液から該中間ドロー溶液よりも高い浸透圧を有する最終ドロー溶液へ、フィード溶液中の水が順次移行されてフィード溶液が濃縮される装置である。図１に示す例では、フィード溶液を収容するフィード槽２と、中間ドロー溶液を収容する中間ドロー槽３と、最終ドロー溶液を収容する最終ドロー槽４を有している。また、第１正浸透膜５を有する第１正浸透モジュール６（以下、単に第１モジュールとも言う）、第２正浸透膜７を有する第２正浸透モジュール８（以下、単に第２モジュールとも言う）を有している。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments.
FIG. 1 shows an outline of an example of the concentrating apparatus of the present invention.
The concentrating
そして、フィード槽２と第１モジュール６を結ぶフィードライン９が設けられており、フィード槽２中のフィード溶液が第１モジュール６との間で循環して送液可能になっている。
また、中間ドロー溶液を送液するための中間ドローライン１０が設けられている。中間ドローライン１０は、中間ドロー槽３と第１モジュール６との間で中間ドロー溶液を循環させるとともに、中間ドロー槽３と第２モジュール８との間で中間ドロー溶液を循環させるものであればよく、ここではその一例として２つのライン（中間ドローライン１０Ａ、１０Ｂ）で構成されているものを挙げる。中間ドローライン１０Ａは中間ドロー槽３と第１モジュール６を結ぶラインであり、中間ドロー槽３中の中間ドロー溶液が第１モジュール６との間で循環して送液可能になっている。一方、中間ドローライン１０Ｂは中間ドロー槽３と第２モジュール８を結ぶラインであり、中間ドロー槽３中の中間ドロー溶液が第２モジュール８との間で循環して送液可能になっている。
さらに、最終ドロー槽４と第２モジュール８を結ぶ最終ドローライン１１が設けられており、最終ドロー槽４中の最終ドロー溶液が第２モジュール８との間で循環して送液可能になっている。
各溶液の送液のため、各ラインにはポンプを設けることができる。
A
Further, an
Furthermore, a final draw line 11 is provided connecting the
A pump can be provided for each line to deliver each solution.
ここで第１モジュール６について図２を参照して説明する。
第１モジュール６は、外箱１２と、第１正浸透膜５として外箱１２の内部を通る中空糸１３を有している。中空糸１３は第１モジュール６内を貫通しており、第１モジュール６の内部は、第１正浸透膜５（中空糸１３）を仕切りとして、空間的に、中空糸１３内の空間（フィード側部屋）と、外箱１２内かつ中空糸１３外の空間（中間ドロー側第１部屋）とに分かれている。
このフィード側部屋にはフィードライン９から送液されてくるフィード溶液が通過して排出可能になっている。また、中間ドロー側第１部屋には、中間ドローライン１０Ａから送液されてくる中間ドロー溶液が通過して排出可能になっている。
そして、第１正浸透膜５（中空糸１３）を介して、フィード溶液から中間ドロー溶液へと水が移行されるようになっている。
The
The
The feed solution sent from the
Water is then transferred from the feed solution to the intermediate draw solution through the first forward osmosis membrane 5 (hollow fibers 13).
また、第２モジュール８も、例えば、第１モジュール６と基本的に同様の構造とすることができる。すなわち、図２において、第１正浸透膜５、中空糸１３内の空間であるフィード側部屋、外箱１２内かつ中空糸１３外の空間である中間ドロー側第１部屋を、それぞれ、第２正浸透膜７、中間ドロー側第２部屋、最終ドロー側部屋に置き換えたものとすることができる。
そして、第２正浸透膜７（中空糸１３）を介して、中間ドロー溶液から最終ドロー溶液へと水が移行されるようになっている。
The
Water is then transferred from the intermediate draw solution to the final draw solution through the second forward osmosis membrane 7 (hollow fibers 13).
従来の濃縮装置では単にフィード溶液とドロー溶液の組み合わせ（フィード溶液用のライン１つとドロー溶液用のライン１つを１つの正浸透膜で連結）であったが、本発明の濃縮装置では、フィード溶液、中間ドロー溶液、最終ドロー溶液の組み合わせからなっている。この構成の違いがもたらす効果等について、以下に説明する。
まず、フィード溶液を正浸透膜（第１、第２正浸透膜６、８）を介して、中間ドロー溶液、さらには最終ドロー溶液へと、フィード溶液中の水を順次移行することができ、フィード溶液の濃縮化を行うことができる。特にフィード溶液が飲料など、フレーバー成分を有するものである場合、従来の減圧蒸留法とは異なり、そのフレーバー成分を濃縮物に残すことができ、品質良く濃縮することができる。
Conventional concentrators simply combine a feed solution and a draw solution (one line for the feed solution and one line for the draw solution connected by one forward osmosis membrane), but the concentrator of the present invention combines a feed solution, an intermediate draw solution, and a final draw solution. The effects of this difference in configuration are described below.
First, the feed solution can be concentrated by sequentially transferring water in the feed solution to an intermediate draw solution and then to a final draw solution through a forward osmosis membrane (first and second
また中間ドロー溶液では、第１正浸透膜５を介して移行してくるフィード溶液中の水は、最終的に、第２正浸透膜７を介して最終ドロー溶液へと移行される。このため、濃縮装置１を稼働し始めると、フィード溶液からの水の移行によって一旦中間ドロー溶液の液量が増えて溶質濃度が薄まるものの、移行されてきた水は結局のところ最終ドロー溶液へと移行し、しばらくすると中間ドロー溶液の液量は初期状態と同程度になって安定し、溶質濃度も初期状態と同程度に落ち着くことになる。すなわち、フィード溶液の濃縮を行っても、中間ドロー溶液の濃度は初期状態に比べて変化していないことになる。
In the intermediate draw solution, the water in the feed solution that migrates through the first
従来の濃縮装置では、上記のようにフィード溶液とドロー溶液の組み合わせでしかなかったため、そのドロー溶液がフィード溶液からの水の移行により薄まるため、フィード溶液の濃縮化後は、ドロー溶液のつぎ足しやＲＯ膜による処理でドロー溶液を濃くし直す必要があった。しかも、フィード溶液と正浸透膜を介して接するドロー溶液としては、ドロー溶液中の溶質もわずかではあるがフィード溶液に移行して品質に影響を与えるため、それを考慮した上で厳選し、その結果比較的高価なものを用意しなければならない場合もあった。そのような場合、上記のドロー溶液を濃くし直す作業は手間がかかる上にコスト面で不利であった。 In conventional concentrators, as described above, there was only a combination of feed solution and draw solution, and the draw solution would become diluted due to the transfer of water from the feed solution. Therefore, after concentrating the feed solution, it was necessary to reconcentrate the draw solution by adding more draw solution or treating it with an RO membrane. Furthermore, the draw solution that comes into contact with the feed solution via the forward osmosis membrane must be carefully selected taking into account the fact that even a small amount of solutes in the draw solution will transfer to the feed solution and affect its quality, and as a result, it may be necessary to prepare a relatively expensive solution. In such cases, the task of reconcentrating the draw solution was time-consuming and disadvantageous in terms of cost.
しかしながら本発明であれば、フィード溶液と第１正浸透膜と接する中間ドロー溶液は、フィード溶液の濃縮化を行っても初期状態と変わらない状態とすることができるので、従来のつぎ足しやＲＯ膜による処理を不要とすることができる。または、その処理を行うとしても頻度を著しく減らすことができる。そのため、手間やコストを大幅に削減することが可能である。 However, with the present invention, the intermediate draw solution that comes into contact with the feed solution and the first forward osmosis membrane can be made to have a state that is unchanged from the initial state even after the feed solution is concentrated, making it possible to eliminate the need for the conventional top-up or treatment using an RO membrane. Or, even if such treatment is performed, the frequency of such treatment can be significantly reduced. As a result, it is possible to significantly reduce the effort and cost.
また最終ドロー溶液に関しては、中間ドロー溶液とは異なり、最終的に水が移行してくるものであり、フィード溶液の濃縮化に伴い、液量が増していき、溶質濃度が低くなっていく。なお、最終ドロー溶液中の溶質も、第２正浸透膜７、そして第１正浸透膜５を介してフィード溶液に移行し得る。しかしながらその量は極わずかであるため、フィード溶液の品質へ与える影響は極めて小さい。これらのことを考慮し、最終ドロー溶液としては、例えば、簡単に低コストで、用意および廃棄処理できるものを選択することができる。したがって、この面でも低コスト化を図ることができる。
The final draw solution differs from the intermediate draw solution in that water is ultimately transferred thereto, and as the feed solution becomes more concentrated, the volume of the liquid increases and the solute concentration decreases. The solutes in the final draw solution may also transfer to the feed solution via the second
なお、フィード溶液の例としては、浸透圧がさほど高くなく、熱をかけずに濃縮したいものが挙げられる。例えば、食品、薬液、医薬品、香料、染料、飲料、サプリメント、毒物、メッキ液および排水などが挙げられるが、水が含まれるものであればよく、これらに限定されない。
飲料としては、果汁、ジュース、コーヒー、茶飲料などが挙げられる。
食品としては、スープ、出汁、牛乳、豆乳などの液体食品が挙げられる。
薬液としては、水洗で薄まった化学研磨液、酸性・アルカリ性の水溶液、界面活性剤などが挙げられる。
医薬品としては、水を使用して抽出した漢方薬、水溶液中で合成した医薬品などが挙げられる。
香料としては、水を使用して抽出した花などの天然物由来の香料などが挙げられる。
染料としては、水系で水洗により薄まった各種染料などが挙げられる。
サプリメントとしては、水を使用して抽出した天然物由来の成分、アスタキサンチン酸、コラーゲン、ビタミン類などが挙げられる。
毒物としては、シアン化ナトリウム水溶液、ストリキニーネ水溶液、ニコチン水溶液などが挙げられる。
メッキ液としては、金、パラジウム、白金、銀などの貴金属を含む、水で薄まったメッキ液などが挙げられる。
排水としては、高ＣＯＤ含有排水、銅、亜鉛、ニッケルなどの金属を含む排水、シアン化合物やジオキサンなどの有害物を含む排水などが挙げられる。
Examples of feed solutions include those that do not have a high osmotic pressure and that need to be concentrated without applying heat, such as food, chemicals, medicines, flavorings, dyes, beverages, supplements, poisons, plating solutions, and wastewater, but are not limited to these as long as they contain water.
Beverages include fruit juice, juices, coffee, tea, and the like.
Foods include liquid foods such as soup, stock, milk, and soy milk.
Examples of chemical solutions include chemical polishing solutions diluted with water, acidic or alkaline aqueous solutions, and surfactants.
Pharmaceuticals include herbal medicines extracted using water and pharmaceuticals synthesized in an aqueous solution.
The fragrance may be derived from natural products such as flowers extracted using water.
The dyes include various dyes diluted by washing with water in a water system.
Supplements include ingredients derived from natural products extracted using water, astaxanthin acid, collagen, vitamins, etc.
Poisons include aqueous solutions of sodium cyanide, strychnine, and nicotine.
The plating solution may be a water-diluted plating solution containing precious metals such as gold, palladium, platinum, and silver.
Examples of wastewater include wastewater with a high COD content, wastewater containing metals such as copper, zinc, and nickel, and wastewater containing harmful substances such as cyanide compounds and dioxane.
また中間ドロー溶液と最終ドロー溶液については、その種類は限定されず、適宜決定することができる。例えば互いに異なるものとすることができる。特に、中間ドロー溶液はその溶質がフィード溶液に移行してもさほど品質に影響を与えないものを選ぶことができ、最終ドロー溶液は、前述したようにフィード溶液にまで溶質が移行するのが極わずかであることを考慮すると、中間ドロー溶液よりも浸透圧を容易に高くでき、かつ、低コストで簡便に用意できるものを選ぶことができる。フィード溶液との浸透圧の大小関係（最終ドロー溶液＞中間ドロー溶液＞フィード溶液）も成り立つように考慮しつつ選択すれば良い。
いずれも、例えば、塩化ナトリウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、塩化マグネシウム水溶液などの無機塩水溶液、液糖、エチレンオキシドプロピレンオキシド、エチレングリコール、プロピレングリコールなどの浸透圧を有する有機物水溶液、クエン酸溶液、アスコルビン酸溶液、グルタミン酸溶液などの有機酸水溶液、ポリスチレンスルホン酸溶液などの高分子電解質水溶液のうちのいずれかとすることができるが、これらに限定されるものではない。
The types of the intermediate draw solution and the final draw solution are not limited and can be appropriately determined. For example, they can be different from each other. In particular, the intermediate draw solution can be selected so that the quality is not significantly affected even if the solute migrates to the feed solution, and the final draw solution can be selected so that the osmotic pressure can be easily made higher than that of the intermediate draw solution and can be easily prepared at low cost, considering that only a very small amount of the solute migrates to the feed solution as described above. The selection can be made while taking into consideration the relationship of the osmotic pressure with the feed solution (final draw solution>intermediate draw solution>feed solution).
Any of these may be, for example, any of aqueous inorganic salt solutions such as sodium chloride solution, calcium chloride solution, magnesium chloride solution, etc.; aqueous organic solutions having osmotic pressure such as liquid sugar, ethylene oxide propylene oxide, ethylene glycol, propylene glycol, etc.; aqueous organic acid solutions such as citric acid solution, ascorbic acid solution, glutamic acid solution, etc.; and aqueous polymer electrolyte solutions such as polystyrene sulfonic acid solution, but are not limited to these.
フィード溶液、中間ドロー溶液、最終ドロー溶液の三者の組み合わせの例としては、［茶飲料、アスコルビン酸溶液、塩化ナトリウム水溶液］、［オレンジジュース、液糖、塩化カルシウム水溶液］、［スープ、グルタミン酸水溶液、塩化マグネシウム水溶液］などが挙げられるが、当然これらの組み合わせに限定されるものではない。 Examples of combinations of the feed solution, intermediate draw solution, and final draw solution include [tea beverage, ascorbic acid solution, sodium chloride aqueous solution], [orange juice, liquid sugar, calcium chloride aqueous solution], [soup, glutamic acid aqueous solution, magnesium chloride aqueous solution], etc., but are of course not limited to these combinations.
なお、図１に示す例では、前述したようにフィード槽２、最終ドロー槽４の配置に対し、これらの槽と第１、第２モジュール６、８との間で各溶液が循環可能な形態でフィードライン９、最終ドローライン１１が設けられている。しかしながら本発明はこれに限定されず、フィード槽２、最終ドロー槽４は設けず、単に各ライン９、１１のみ、それぞれ第１、第２モジュール６、８に対して配置し、循環ではなく１パスで各溶液を第１、第２モジュール６、８に送液する形態とすることも可能である。各溶液の種類、浸透圧、液量などに応じて、全て１パスの形態とするか、一部あるいは全てを循環の形態とするか、適宜、目的も考慮して決定することができる。
In the example shown in FIG. 1, as described above, the
また、第１、第２正浸透モジュール６、８中の第１、第２正浸透膜５、７として中空糸１３を有する例を示したが特に限定されない。
例えば、中空糸よりも口径が大きいチューブラ膜からなるものとすることができる。あるいは、平膜からなるものや、平膜を用いたスパイラル膜からなるものとすることができる。
平膜からなるものは、例えば平膜を仕切りにして外箱内を２つの空間（フィード側部屋および中間ドロー側第１部屋、または、中間ドロー側第２部屋および最終ドロー側部屋）に分けたものとすることができる。
Further, an example in which the
For example, it may be made of a tubular membrane having a larger diameter than a hollow fiber, or it may be made of a flat membrane or a spiral membrane using a flat membrane.
In the case of a flat membrane, for example, the flat membrane can be used as a partition to divide the inside of the outer box into two spaces (a feed side chamber and a first intermediate draw side chamber, or a second intermediate draw side chamber and a final draw side chamber).
また、従来公開されているスパイラル膜の図を用いてスパイラル膜について説明する。図３はスパイラル膜の内部構造の一例である。ここでは第１正浸透モジュール６の例として説明するが、溶液の種類と通過箇所の点を除いて、第２正浸透モジュール８の場合も基本的に同様の構成とすることができる。
このスパイラル膜１５は、第１正浸透膜である平膜１６、フィード溶液が通過するメッシュ型のフィードスペーサ１７（フィード側部屋）、平膜１６、中間ドロー溶液が通過するメッシュ型のドロースペーサ１８（中間ドロー側第１部屋）を順に重ね合わせ、それを中間ドロー溶液が通過する中心管１９にのり巻きのようにスパイラル状に巻いたものである。この巻いた状態で外箱（不図示）内に収容されている。
The spiral membrane will be described using a diagram of a conventionally disclosed spiral membrane. Fig. 3 shows an example of the internal structure of the spiral membrane. Here, the first
The spiral membrane 15 is formed by stacking a
フィード溶液は、スパイラル膜１５の断面周辺部の平膜１６同士の間のフィードスペーサ１７に送液されて通過する。このとき、フィードスペーサ１７内のフィード溶液中の水が浸透圧により平膜１６を介してドロースペーサ１８内の中間ドロー溶液へ移行する。そして、濃縮されたフィード溶液が、スパイラル膜１５の反対側の断面周辺部から出ていくようになっている。
The feed solution is pumped to and passes through the feed spacer 17 between the
またスパイラル膜１５の中心部に位置する中心管１９には孔が設けられており、中間ドロー溶液の入口から送液された中間ドロー溶液を孔からドロースペーサ１８に拡散供給する役割と、拡散後にフィード溶液から中間ドロー溶液に移行してきた水を含む中間ドロー溶液をドロースペーサ１８から集める役目を持つ。そのため中心管１９は、その中央付近で管内がセパレータ２０で塞がれている。中心管１９においてセパレータ２０よりも中間ドロー溶液の入口側では、中間ドロー溶液は中心管１９からドロースペーサ１８内へ拡散され、そこでは浸透圧により平膜１６を介してフィード溶液から水が中間ドロー溶液に移行する。そして中心管においてセパレータ２０よりも中間ドロー溶液の出口側では、ドロースペーサ１８内に一旦拡散した中間ドロー溶液がフィード溶液からの水とともに中心管１９に集まり、最終的に中間ドロー溶液の出口から出ていくようになっている。
The central tube 19 located at the center of the spiral membrane 15 has holes, which serve to diffuse and supply the intermediate draw solution sent from the inlet of the intermediate draw solution to the
ところで、図１では中間ドローラインとして２つの中間ドローライン１０Ａ、１０Ｂからなるものを例に挙げたが、この場合、中間ドロー槽３と第１モジュール６との間で、また、中間ドロー槽３と第２モジュール８との間で、よりスムーズに循環しやすい。
この図１の中間ドローラインの例とは別態様の濃縮装置３１を図４に示す。中間ドローラインとして１つのラインを有する場合である。１つの中間ドローライン１０が、中間ドロー槽３と、第１モジュール６と、第２モジュール８とをまとめて結んでおり、それら三者の間で中間ドロー溶液を循環させるものである。
このようなものであれば、特にライン本数が減り、装置としてより単純な構造となる。なお、第１モジュール６でフィード溶液から移行してくる水の量と、第２モジュール８で最終ドロー溶液へ移行する水の量とのバランスを考慮し、中間ドロー溶液が中間ドローライン１０内でスムーズに流れるように、流量を調整可能な設備をさらに設けても良い。
Incidentally, in FIG. 1 , an example in which the intermediate draw line is composed of two
Fig. 4 shows a concentrating apparatus 31 having a different embodiment from the intermediate draw line example shown in Fig. 1. In this embodiment, one line is provided as the intermediate draw line. One
In this case, the number of lines is particularly reduced, and the structure of the apparatus is simpler. In addition, a device capable of adjusting the flow rate may be further provided so that the intermediate draw solution flows smoothly in the
さらに別の態様の濃縮装置４１の例を図５に示す。図１の例において、中間ドロー溶液、中間ドローライン、中間ドロー槽の組み合わせを複数段設け、順次連結したものである。ここでは３段（最初の段、２番目の段、最後の段）からなる例を挙げているが、これに限定されず、２段、あるいは３段よりも段数を多くしたものとすることもできる。
図５の３段構成において、隣接する段同士を連結するものとして、第１正浸透膜５や第２正浸透膜７とは異なる第３正浸透膜３２を有する第３正浸透モジュール３３（以下、単に第３モジュールとも言う）が配置されている。
なお、ここでいう「異なる」第３正浸透膜とは、役割（どの溶液からどの溶液へ水を移行させるためのものか）が異なるというだけであって、例えば使用する正浸透膜の製品の同一性を否定するものではない。第１～第３正浸透膜として、全て同じ製品のものを用いることもできるし、互いに異なる製品のものを用いることもできる。
Another embodiment of the concentrating apparatus 41 is shown in Fig. 5. In the example of Fig. 1, a combination of an intermediate draw solution, an intermediate draw line, and an intermediate draw tank is provided in multiple stages, which are connected in sequence. Here, an example of three stages (a first stage, a second stage, and a last stage) is given, but the present invention is not limited to this, and the number of stages may be two or more than three.
In the three-stage configuration of Figure 5, a third forward osmosis module 33 (hereinafter also referred to simply as the third module) having a third forward osmosis membrane 32 different from the first
The "different" third forward osmosis membrane here means that it has a different role (i.e., what solution it is used to transfer water from) and does not negate the same product of the forward osmosis membrane to be used, for example. The first to third forward osmosis membranes may all be the same product, or may be different products.
各段における中間ドロー溶液は前段よりも後段の方がより高い浸透圧を有するものとなっている。すなわち、浸透圧の大小に関して、最初の段＜２番目の段＜最後の段、という関係になっている。
また図５に示すように、中間ドローライン１０として、６つのライン（段ごとに述べると、中間ドローライン１０Ｐと１０Ｑ、１０Ｒと１０Ｓ、１０Ｔと１０Ｕ）、中間ドロー槽３として、３つの槽（段ごとに述べると、中間ドロー槽３Ｐ、３Ｑ、３Ｒ）、第３モジュール３３として、２つのモジュール（最初の段と２番目の段を連結する第３モジュール３３Ｐ、２番目の段と最後の段を連結する第３モジュール３３Ｑ）が配置されている。
そして、最初の段の中間ドローライン１０Ｐにより、最初の段の中間ドロー槽３Ｐと第１モジュール６との間で中間ドロー溶液が循環可能になっている。
また、最後の段の中間ドローライン１０Ｕにより、最後の段の中間ドロー槽３Ｒと第２モジュール８との間で中間ドロー溶液が循環可能になっている。
The intermediate draw solution in each stage has a higher osmotic pressure in the latter stage than in the previous stage. In other words, the relationship of osmotic pressure is first stage < second stage < last stage.
As shown in FIG. 5 , six lines are arranged as intermediate draw lines 10 (intermediate draw lines 10P and 10Q, 10R and 10S, and 10T and 10U in terms of stages), three tanks are arranged as intermediate draw tanks 3 (intermediate draw tanks 3P, 3Q, and 3R in terms of stages), and two modules are arranged as third modules 33 (third module 33P connecting the first stage and the second stage, and third module 33Q connecting the second stage and the last stage).
The first-stage intermediate draw line 10P allows the intermediate draw solution to circulate between the first-stage intermediate draw tank 3P and the
In addition, the intermediate draw line 10U of the last stage allows the intermediate draw solution to circulate between the intermediate draw tank 3R of the last stage and the
このような構成により、全体的に見ると、中間ドロー槽３と第１モジュール６との間、および、中間ドロー槽３と第２モジュール８との間において、中間ドロー溶液が循環している。そして、第１モジュール６において、フィード溶液中の水が中間ドロー溶液へと移行してフィード溶液が濃縮化し、さらに第３モジュール３３を介して各段をその水が移行し、最終的には第２モジュール８において、その水が中間ドロー溶液から最終ドロー溶液へと移行するようになっている。
一方で、最終ドロー溶液中の溶質は、フィード溶液へと移行するにしても、複数段の中間ドロー溶液を介することになるので、フィード溶液への移行量をより一層少なくすることができる。このため、フィード溶液の品質に与える影響をより小さなものとすることができる。装置の規模、用意する中間ドロー溶液の量等に応じて、適宜段数を決定することができる。
With such a configuration, as a whole, the intermediate draw solution circulates between the
On the other hand, even if the solute in the final draw solution transfers to the feed solution, it does so via multiple stages of intermediate draw solutions, so the amount of solute transferred to the feed solution can be further reduced. This makes it possible to reduce the impact on the quality of the feed solution. The number of stages can be appropriately determined depending on the scale of the apparatus, the amount of intermediate draw solution prepared, etc.
なお、図５では各段における中間ドローラインが図１のように２つの例を示したが、この他、図６の別の濃縮装置５１のように、各段における中間ドローラインが図４のように１つのラインからなる構成とすることも可能である。各段における中間ドロー溶液の流量バランスを調整可能であれば、このように各段におけるライン数を減らして構成の簡便化を図ることができる。 In addition, in FIG. 5, an example is shown in which there are two intermediate draw lines in each stage as in FIG. 1, but it is also possible to configure each stage with one intermediate draw line as in FIG. 4, as in another concentrator 51 in FIG. 6. If it is possible to adjust the flow rate balance of the intermediate draw solution in each stage, the number of lines in each stage can be reduced in this way, simplifying the configuration.
以下、本発明の実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示す本発明の濃縮装置１を用意して室温２０℃にて茶飲料の濃縮化を行った。
第１、第２正浸透モジュールとしてＡＱＵＡＰＯＲＩＮ社製：正浸透モジュールＨＦＦＯ２、フィード溶液として茶飲料、中間ドロー溶液としてアスコルビン酸溶液、最終ドロー溶液として食塩水（塩化ナトリウム水溶液）を用意した。濃度（モル濃度）は各々、原液、１．３ｍｏｌ／Ｌ、２ｍｏｌ／Ｌ、であった。
浸透圧は、水中に溶けている分子やイオンの数の総量に比例することが知られている。溶液の分子、イオン濃度を考えた場合、例えば１ｍｏｌの食塩（ＮａＣｌ）は水１Ｌに溶かすとほぼ１００％解離してＮａ＋とＣｌ―の２つのイオンになるため、水中での分子、イオン濃度は２ｍｏｌ／Ｌであり、その時の浸透圧はおおよそ４．９ＭＰａとなる。
実施例に使用した溶液のそれぞれの浸透圧を、食塩（ＮａＣｌ）に換算した形にして考えてみる。茶飲料は純水にお茶の葉から成分を抽出して茶飲料とする。茶飲料中の塩類の合計は、茶飲料メーカーの資料によると、食塩（ＮａＣｌ）相当で０．０３ｇ程度である。これは食塩の５．１×１０－４ｍｏｌ／Ｌというきわめて薄い溶液であり、水中での分子、イオン濃度は１．０×１０－３ｍｏｌ／Ｌとなる。アスコルビン酸の１．３ｍｏｌ／Ｌの場合、アスコルビン酸の解離定数がｐＫａ＝４．１７であることから、おおよそ水中での分子、イオン濃度は１．４ｍｏｌ／Ｌとなる。食塩水２ｍｏｌ／Ｌの水中での分子、イオン濃度は４ｍｏｌ／Ｌである。
これらから浸透圧を比較すると、
茶飲料＜アスコルビン酸溶液１．３ｍｏｌ／Ｌ＜食塩水２ｍｏｌ／Ｌ、であることがわかる。この３種類の溶液で茶飲料の濃縮化を行った。
The present invention will be described in more detail below by showing examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.
(Example)
A concentrating
The first and second forward osmosis modules were AQUAPORIN's HFFO2 forward osmosis module, the feed solution was a tea beverage, the intermediate draw solution was an ascorbic acid solution, and the final draw solution was saline (aqueous sodium chloride solution). The molar concentrations were 1.3 mol/L for the stock solution and 2 mol/L for the final draw solution.
It is known that osmotic pressure is proportional to the total number of molecules and ions dissolved in water. When considering the molecular and ionic concentration of a solution, for example, when 1 mol of salt (NaCl) is dissolved in 1 L of water, it dissociates almost 100% into two ions, Na + and Cl- , so the molecular and ionic concentration in the water is 2 mol/L, and the osmotic pressure at that time is approximately 4.9 MPa.
Let us consider the osmotic pressure of each solution used in the examples in terms of salt (NaCl). Tea beverages are made by extracting ingredients from tea leaves into pure water. The total amount of salts in a tea beverage is about 0.03 g equivalent to salt (NaCl) according to the materials of tea beverage manufacturers. This is an extremely dilute solution of salt at 5.1×10 −4 mol/L, and the molecular and ion concentration in water is 1.0×10 −3 mol/L. In the case of 1.3 mol/L of ascorbic acid, the dissociation constant of ascorbic acid is pKa=4.17, so the molecular and ion concentration in water is approximately 1.4 mol/L. The molecular and ion concentration in water of 2 mol/L of salt water is 4 mol/L.
Comparing the osmotic pressure from these,
It can be seen that the following are true: tea beverage < ascorbic acid solution 1.3 mol/L <
なお、装置稼働中（濃縮化中）、各溶液はいずれも図１に示すように各々のラインで循環させた。
フィードライン９でのフィード溶液の第１正浸透モジュール６での入口流量は３０～３８Ｌ／ｈ、フィード溶液の出口流量は１５～２５Ｌ／ｈ、中間ドローライン１０Ａの中間ドロー溶液の第１正浸透モジュール６での入口流量は１５～２０Ｌ／ｈ、中間ドロー溶液の出口流量は２０～３０Ｌ／ｈ、中間ドローライン１０Ｂの中間ドロー溶液の第２正浸透モジュール８での入口流量は２５～４０Ｌ／ｈ、中間ドロー溶液の出口流量は、１５～３０Ｌ／ｈ、最終ドローライン１１での最終ドロー溶液の第２正浸透モジュール８での入口流量は１５～３０Ｌ／ｈ、最終ドロー溶液の出口流量は２５～３２Ｌ／ｈであった。
また、最初に用意したフィード溶液、中間ドロー溶液、最終ドロー溶液の液量は、各々５Ｌ、３Ｌ、５Ｌであり、２分毎に２２分間のそれぞれの液量を計測した。
During operation of the apparatus (during concentration), each solution was circulated through its respective line as shown in FIG.
The inlet flow rate of the feed solution at the
The liquid volumes of the initially prepared feed solution, the intermediate draw solution, and the final draw solution were 5 L, 3 L, and 5 L, respectively, and the liquid volumes were measured every 2 minutes for 22 minutes.
図７に、計測した各溶液の液量変化のグラフを示す。横軸が稼働時間（分）、縦軸が液量（Ｌ）である。
茶飲料Ｔ１は徐々に液量が減少したことがわかる。最終的に茶飲料Ｔ１は１．２Ｌ程度になった。これは茶飲料中の水が移行して濃縮化されたためである。
また、アスコルビン酸溶液Ｔ２の液量は０～４分においていったん上昇して下がった後、当初の３Ｌ程度で安定した。茶飲料からの水の移行により一時的に液量が増加した後、移行してきた水の分だけ食塩水へと移行して当初の液量程度に下がり、その後は茶飲料からの水の移行量と食塩水への水の移行量とのバランスが取れ、当初の液量程度に落ち着いたものである。
例えばほぼ中間地点、実験開始後の１０分後のそれぞれの流量はフィードライン９でのフィード溶液の入口流量は３０Ｌ／ｈ、フィード溶液の出口流量は１５Ｌ／ｈ、中間ドローライン１０Ａの中間ドロー溶液の入口流量は３０Ｌ／ｈ、中間ドロー溶液の出口流量は１５Ｌ／ｈ、中間ドローライン１０Ｂの中間ドロー溶液の入口流量は２５Ｌ／ｈ、中間ドロー溶液の出口流量は、１５Ｌ／ｈ、最終ドローライン１１での最終ドロー溶液の入口流量は１５Ｌ／ｈ、最終ドロー溶液の出口流量は２５Ｌ／ｈであった。
この瞬間においてフィード溶液から中間ドロー溶液ヘは１５Ｌ／ｈの流速で純水が移動し、中間ドロー溶液から最終ドロー溶液には１０Ｌ／ｈの流速で純水が移動したことがわかる。
この結果、食塩水Ｔの液量は徐々に増加した。茶飲料中の水がアスコルビン酸溶液を介して食塩水へ移行してきたためである。
7 shows a graph of the measured changes in the volume of each solution, with the horizontal axis representing the operating time (minutes) and the vertical axis representing the volume of solution (L).
It can be seen that the liquid volume of tea drink T1 gradually decreased. Finally, tea drink T1 was about 1.2 L. This is because the water in the tea drink migrated and became concentrated.
In addition, the volume of ascorbic acid solution T2 rose once between 0 and 4 minutes, then fell, and stabilized at the initial volume of about 3 L. After the volume temporarily increased due to the transfer of water from the tea beverage, the transferred water was transferred to the saline solution, and the volume fell to about the initial volume, and then the volume of water transferred from the tea beverage and the volume of water transferred to the saline solution were balanced, and the volume of water settled to about the initial volume.
For example, at approximately the midpoint, 10 minutes after the start of the experiment, the respective flow rates were as follows: at
It can be seen that at this moment, pure water moves from the feed solution to the intermediate draw solution at a flow rate of 15 L/h, and from the intermediate draw solution to the final draw solution at a flow rate of 10 L/h.
As a result, the volume of the saline solution T gradually increased. This is because the water in the tea beverage transferred to the saline solution via the ascorbic acid solution.
濃縮後の茶飲料に水を足して元に戻したところ、風味等、品質面で優れたものであった。また、食塩水からのアスコルビン酸溶液を介しての塩化ナトリウムの移行も極めて少なかったと考えられる。
また、濃縮化にあたり、茶飲料から水が移行してくる中間ドロー溶液として、比較的高価なアスコルビン酸溶液を用いたが、茶飲料の濃縮化後にアスコルビン酸溶液の濃度測定を行ったところ、当初の値とほぼ変わっていなかった。そのため、次の別の茶飲料の濃縮化に向けて、濃くするためのつぎ足しを行う必要がなかった。このように従来のようなつぎ足しが必要ないため、コストを大幅に削減することができた。
また、食塩水は液量が増えて濃度も薄まったが、次の別の茶飲料の濃縮化に向けて、液量の調整および安価な食塩を足すだけで良いので、コスト的に問題はなかった。
When water was added to the concentrated tea beverage to restore it to its original state, the flavor and other qualities were excellent. In addition, it is believed that there was very little transfer of sodium chloride from the salt water via the ascorbic acid solution.
In addition, a relatively expensive ascorbic acid solution was used as an intermediate draw solution into which water was transferred from the tea beverage during the concentration process. However, when the concentration of the ascorbic acid solution was measured after the tea beverage was concentrated, it was found to have had almost no change from the initial value. Therefore, there was no need to add more to make the tea stronger when concentrating another tea beverage. As a result, costs were significantly reduced because there was no need to add more, as in the past.
Although the volume of the salt water increased and the concentration became weaker, this did not pose a problem in terms of cost, as it would only be necessary to adjust the volume of the liquid and add inexpensive table salt in order to concentrate the next tea beverage.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment. The above-mentioned embodiment is merely an example, and anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and has similar effects is included within the technical scope of the present invention.
１、３１、４１、５１…本発明の濃縮装置、 ２…フィード槽、
３、３Ｐ～３Ｒ…中間ドロー槽、 ４…最終ドロー槽、
５…第１正浸透膜、 ６…第１正浸透モジュール、
７…第２正浸透膜、 ８…第２正浸透モジュール、
９…フィードライン、 １０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｐ～１０Ｕ…中間ドローライン、
１１…最終ドローライン、 １２…外箱、 １３…中空糸、
１５…スパイラル膜、 １６…平膜、 １７…フィードスペーサ、
１８…ドロースペーサ １９…中心管、 ２０…セパレータ、
３２…第３正浸透膜、 ３３、３３Ｐ、３３Ｑ…第３正浸透モジュール。
1, 31, 41, 51 ... concentrating apparatus of the present invention, 2 ... feed tank,
3, 3P to 3R: intermediate draw tank; 4: final draw tank;
5...first forward osmosis membrane; 6...first forward osmosis module;
7... second forward osmosis membrane; 8... second forward osmosis module;
9...feed line; 10, 10A, 10B, 10P to 10U...intermediate draw lines;
11... final draw line, 12... outer box, 13... hollow fiber,
15...spiral membrane, 16...flat membrane, 17...feed spacer,
18: Draw spacer; 19: Center tube; 20: Separator;
32...third forward osmosis membrane; 33, 33P, 33Q...third forward osmosis module.
Claims (9)
前記フィード溶液から該フィード溶液よりも高い浸透圧を有する中間ドロー溶液へ、かつ、該中間ドロー溶液から該中間ドロー溶液よりも高い浸透圧を有する最終ドロー溶液へ、前記フィード溶液中の水が順次移行されて前記フィード溶液が濃縮されるものであり、
前記フィード溶液が送液されるフィードラインと、前記中間ドロー溶液が送液される中間ドローラインと、前記中間ドロー溶液を収容する中間ドロー槽と、前記最終ドロー溶液が送液される最終ドローラインと、第１正浸透膜を有する第１正浸透モジュールと、第２正浸透膜を有する第２正浸透モジュールを有しており、
前記中間ドローラインは、前記中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるとともに、前記中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
前記第１正浸透モジュールは、前記フィードラインからの前記フィード溶液が通過するフィード側部屋と、前記中間ドローラインからの前記中間ドロー溶液が通過する中間ドロー側第１部屋をさらに有し、前記第１正浸透膜は前記フィード側部屋と前記中間ドロー側第１部屋の仕切りであり、該第１正浸透膜を介して、前記フィード側部屋中の前記フィード溶液から前記中間ドロー側第１部屋中の前記中間ドロー溶液へ前記フィード溶液中の水が移行されて前記フィード溶液が濃縮されるものであり、
前記第２正浸透モジュールは、前記中間ドローラインからの前記中間ドロー溶液が通過する中間ドロー側第２部屋と、前記最終ドローラインからの前記最終ドロー溶液が通過する最終ドロー側部屋をさらに有し、前記第２正浸透膜は前記中間ドロー側第２部屋と前記最終ドロー側部屋の仕切りであり、該第２正浸透膜を介して、前記中間ドロー側第２部屋中の前記中間ドロー溶液から前記最終ドロー側部屋中の前記最終ドロー溶液へ前記中間ドロー溶液中の水が移行されるものであり、
前記フィード溶液を収容するフィード槽をさらに有し、
前記フィードラインは、前記フィード槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記フィード溶液を循環させるものであることを特徴とする濃縮装置。 A concentrating device in which water in a feed solution is transferred to concentrate the feed solution,
water in the feed solution is sequentially transferred from the feed solution to an intermediate draw solution having a higher osmotic pressure than the feed solution, and from the intermediate draw solution to a final draw solution having a higher osmotic pressure than the intermediate draw solution, thereby concentrating the feed solution;
the feed line through which the feed solution is delivered, an intermediate draw line through which the intermediate draw solution is delivered, an intermediate draw tank for accommodating the intermediate draw solution, a final draw line through which the final draw solution is delivered, a first forward osmosis module having a first forward osmosis membrane, and a second forward osmosis module having a second forward osmosis membrane,
the intermediate draw line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the first forward osmosis module, and circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the second forward osmosis module;
the first forward osmosis module further includes a feed side chamber through which the feed solution from the feed line passes and an intermediate draw side first chamber through which the intermediate draw solution from the intermediate draw line passes, the first forward osmosis membrane is a partition between the feed side chamber and the intermediate draw side first chamber, and water in the feed solution is transferred from the feed solution in the feed side chamber to the intermediate draw solution in the intermediate draw side first chamber through the first forward osmosis membrane to concentrate the feed solution;
the second forward osmosis module further comprises an intermediate draw side second chamber through which the intermediate draw solution from the intermediate draw line passes, and a final draw side chamber through which the final draw solution from the final draw line passes, the second forward osmosis membrane is a partition between the intermediate draw side second chamber and the final draw side chamber, and water in the intermediate draw solution is transferred from the intermediate draw solution in the intermediate draw side second chamber to the final draw solution in the final draw side chamber through the second forward osmosis membrane;
Further comprising a feed tank for containing the feed solution,
The concentrating apparatus , wherein the feed line circulates the feed solution between the feed tank and the first forward osmosis module .
前記第１正浸透膜および前記第２正浸透膜は前記中空糸であり、
前記フィード側部屋および前記中間ドロー側第２部屋は前記中空糸内の空間であり、
前記中間ドロー側第１部屋および前記最終ドロー側部屋は前記外箱内かつ前記中空糸外の空間であることを特徴とする請求項１に記載の濃縮装置。 The first forward osmosis module and the second forward osmosis module each have an outer box and a hollow fiber passing through the outer box,
the first forward osmosis membrane and the second forward osmosis membrane are the hollow fibers,
the feed side chamber and the intermediate draw side second chamber are spaces within the hollow fiber;
2. The concentrating apparatus according to claim 1, wherein the intermediate draw side first chamber and the final draw side chamber are spaces within the outer box and outside the hollow fibers.
前記最終ドローラインは、前記最終ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記最終ドロー溶液を循環させるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃縮装置。 Further comprising a final draw tank for containing the final draw solution ;
3. The concentrator of claim 1, wherein the final draw line circulates the final draw solution between the final draw tank and the second forward osmosis module.
一方のラインが、前記中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
他方のラインが、前記中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の濃縮装置。 The intermediate draw line has two lines,
one line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the first forward osmosis module;
7. The concentrator of claim 1, wherein the other line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank and the second forward osmosis module.
該１つのラインが、前記中間ドロー槽と、前記第１正浸透モジュールと、前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の濃縮装置。 The intermediate draw line has one line,
7. The concentrator of claim 1, wherein the one line circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank, the first forward osmosis module, and the second forward osmosis module.
前記中間ドロー溶液は、前記連結された複数段において、前段よりも後段の方が高い浸透圧を有するものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での隣接する段同士における中間ドローラインが、前記第１正浸透膜および前記第２正浸透膜とは異なる第３正浸透膜を有する第３正浸透モジュールを介して連結されており、前記前段における前記中間ドロー溶液から前記後段における前記中間ドロー溶液へ水が移行されるものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での最初の段における中間ドローラインが、前記最初の段における中間ドロー槽と前記第１正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであり、
前記中間ドローラインのうち、前記連結された複数段での最後の段における中間ドローラインが、前記最後の段における中間ドロー槽と前記第２正浸透モジュールとの間で前記中間ドロー溶液を循環させるものであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の濃縮装置。 A combination of the intermediate draw solution, the intermediate draw line, and the intermediate draw tank is connected in series in a plurality of stages;
The intermediate draw solution has a higher osmotic pressure in a later stage than in a previous stage in the multiple connected stages,
Among the intermediate draw lines, intermediate draw lines in adjacent stages in the connected stages are connected via a third forward osmosis module having a third forward osmosis membrane different from the first forward osmosis membrane and the second forward osmosis membrane, and water is transferred from the intermediate draw solution in the previous stage to the intermediate draw solution in the subsequent stage;
Among the intermediate draw lines, an intermediate draw line in a first stage of the plurality of connected stages circulates the intermediate draw solution between an intermediate draw tank in the first stage and the first forward osmosis module;
7. The concentrating apparatus according to claim 1, wherein the intermediate draw line in the last stage of the plurality of connected stages circulates the intermediate draw solution between the intermediate draw tank in the last stage and the second forward osmosis module.
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